Exercices corrigés : atomes, molécules et transformations chimiques (Quatrième)

a) Eau $H_{2}O$, 3 atomes. Dioxyde de carbone $CO_{2}$, 3 atomes. Méthane $CH_{4}$, 5 atomes. Dioxygène $O_{2}$, 2 atomes. On compte tous les atomes, quelle que soit leur sorte.

b) Trois atomes de carbone, huit atomes d'hydrogène, soit $3+8=11$ atomes en tout. Cette molécule est celle du propane, le gaz des bouteilles.

c) L'écriture $3\,H_{2}O$ désigne TROIS molécules d'eau. Chacune contient 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène, donc en tout $3\times 2=6$ atomes d'hydrogène et $3\times 1=3$ atomes d'oxygène. Le grand chiffre devant multiplie toute la molécule, le petit chiffre en bas ne concerne que l'atome qui le précède : c'est la distinction qui décide de la réussite du chapitre suivant.

d) L'eau s'écrit $H_{2}O$ avec la lettre O, pas le chiffre zéro : $O$ est le symbole de l'oxygène. Le dioxyde de carbone s'écrit $CO_{2}$ avec deux majuscules, car il contient deux éléments différents, le carbone et l'oxygène ; $Co$ avec un o minuscule est le symbole du cobalt, un métal qui n'a rien à voir.

e) Oui, les deux sont faits du même ÉLÉMENT, l'oxygène. Non, ce ne sont pas les mêmes CORPS : l'assemblage diffère, deux atomes dans un cas, trois dans l'autre, et leurs propriétés aussi. Le dioxygène est celui que nous respirons, l'ozone est toxique à respirer mais nous protège des rayons ultraviolets en haute altitude.

a) Physiques : 1, 3 et 5. Chimiques : 2 et 4. Le critère est unique : les substances présentes après sont-elles les mêmes qu'avant ?

b) L'eau liquide devient de l'eau à l'état de vapeur. Ce sont exactement les mêmes MOLÉCULES $H_{2}O$, simplement plus éloignées et plus agitées les unes des autres. Aucune molécule nouvelle n'est apparue, la transformation est donc physique. On peut d'ailleurs revenir en arrière en refroidissant.

c) Réactifs : le bois et le dioxygène de l'air. Produits : le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et les cendres. On ne peut pas remonter des cendres à la bûche : c'est la marque d'une transformation chimique.

d) Non, elle n'est pas chimique. Le sucre ne disparaît pas, il se DISPERSE en très petites entités entre les molécules d'eau. La preuve est double : le thé a le goût sucré, donc le sucre est bien encore là, et l'on récupère exactement le même sucre en faisant évaporer l'eau.

e) Premier critère : l'apparition d'une substance visiblement nouvelle, changement de couleur durable, précipité, dégagement de gaz, flamme. Second critère : l'impossibilité de revenir en arrière par un simple refroidissement ou une simple évaporation. On peut y ajouter un dégagement de chaleur important, comme dans une combustion.

a) Le trouble de l'eau de chaux est le test du DIOXYDE DE CARBONE. L'équation en toutes lettres s'écrit : carbone + dioxygène donne dioxyde de carbone.

b) $C+O_{2}\rightarrow CO_{2}$. Comptage : à gauche, 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène ; à droite, 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène. Les comptes sont égaux, l'équation est équilibrée telle quelle.

c) Réactifs, ce qui disparaît : le carbone et le dioxygène. Produit, ce qui apparaît : le dioxyde de carbone. Le sens de la flèche donne le sens de lecture, et on n'écrit jamais un signe égal à sa place.

d) Moins vive. Dans l'air, le dioxygène n'occupe qu'un cinquième du volume, les quatre autres cinquièmes étant du diazote qui ne participe pas. Le carbone rencontre donc cinq fois moins de dioxygène par unité de volume, il rougeoie au lieu de flamber. C'est aussi pourquoi on souffle sur des braises : on apporte du dioxygène frais.

e) Parce que le monoxyde de carbone est INODORE, incolore et très toxique : il se fixe dans le sang à la place du dioxygène et l'on s'endort sans rien sentir. Un appareil de chauffage mal réglé ou une pièce mal ventilée suffisent à le produire, et c'est la raison des détecteurs obligatoires près des chaudières.

a) $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$. Vérification : carbone, 1 à gauche et 1 à droite. Hydrogène, 4 à gauche et $2\times 2=4$ à droite. Oxygène, $2\times 2=4$ à gauche et $2+2\times 1=4$ à droite. Tout est équilibré.

b) $2\,H_{2}+O_{2}\rightarrow 2\,H_{2}O$. Hydrogène : $2\times 2=4$ des deux côtés. Oxygène : 2 à gauche, $2\times 1=2$ à droite.

c) $4\,Fe+3\,O_{2}\rightarrow 2\,Fe_{2}O_{3}$. Fer : $2\times 2=4$ à droite, donc 4 à gauche. Oxygène : $2\times 3=6$ à droite, donc $6/2=3$ molécules $O_{2}$ à gauche. Commencer par l'élément qui n'apparaît qu'une fois de chaque côté fait gagner du temps.

d) Il a modifié une FORMULE au lieu d'ajouter un nombre devant. $H_{4}O_{2}$ n'existe pas : il a inventé une substance pour faire tomber ses comptes. La seule chose que l'on a le droit de changer est le grand nombre placé devant une molécule.

e) Parce que les mêmes atomes se retrouvent des deux côtés, simplement associés autrement : la masse totale ne peut pas changer puisque ce sont exactement les mêmes atomes, en même nombre, avant et après.

a) Carbone : 1 avant, 1 après. Oxygène : 4 avant, 4 après. Hydrogène : 4 avant, 4 après. Les trois paires de barres sont égales deux à deux, ce qui est exactement la définition d'une équation équilibrée.

b) La masse totale se conserve : $3{,}0+8{,}0=11{,}0\ \mathrm{g}$ de dioxyde de carbone. Aucune autre substance n'est produite, tout le carbone et tout le dioxygène ont réagi.

c) Il reste $10{,}0-8{,}0=2{,}0\ \mathrm{g}$ de dioxygène N'AYANT PAS RÉAGI, encore présent dans le flacon. Le bilan reste juste : $3{,}0+10{,}0=13{,}0\ \mathrm{g}$ avant, et $11{,}0+2{,}0=13{,}0\ \mathrm{g}$ après. Un réactif en excès ne se transforme pas en produit, il attend.

d) Elle affiche toujours $5{,}0+50{,}0=55{,}0\ \mathrm{g}$. La bouteille se gonfle parce qu'un gaz s'est formé, mais rien n'est sorti : le système est fermé, donc la masse pesée ne bouge pas d'un dixième de gramme.

e) Il s'est échappé $55{,}0-52{,}8=2{,}2\ \mathrm{g}$ de dioxyde de carbone. Oui, la masse s'est conservée : ce qui a changé, c'est le contenu du récipient, pas la quantité totale de matière. En pesant aussi le gaz parti, on retrouve $55{,}0\ \mathrm{g}$.

a) $CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O$. C'est l'équation type du chapitre, à savoir écrire sans hésiter.

b) Par conservation de la masse, la masse des produits est égale à celle des réactifs : $16{,}0+64{,}0=80{,}0\ \mathrm{g}$ par minute. Il n'est pas nécessaire de savoir comment elle se répartit pour connaître le total.

c) $80{,}0-44{,}0=36{,}0\ \mathrm{g}$ d'eau par minute. On remarque que la chaudière rejette presque autant d'eau que de dioxyde de carbone, ce qui explique la buée qui sort des conduits par temps froid.

d) $3\ \mathrm{h}=180\ \mathrm{min}$, donc $44{,}0\times 180=7\,920\ \mathrm{g}$ par jour, soit $7{,}92\ \mathrm{kg}$. Sur $30$ jours : $7{,}92\times 30=237{,}6\ \mathrm{kg}$, près d'un quart de tonne pour un seul mois de chauffage.

e) Le monoxyde de carbone est inodore, incolore et sans saveur : aucun sens humain ne le détecte. Il se fixe sur le sang à la place du dioxygène, provoque maux de tête puis somnolence, et l'on s'endort sans comprendre. Seul un détecteur électronique donne l'alerte à temps, et c'est pour cela qu'il est obligatoire près des appareils à combustion.

a) Elle a AUGMENTÉ, de $7{,}7-5{,}6=2{,}1\ \mathrm{g}$. C'est le résultat qui surprend tout le monde : on s'attend à ce qu'une combustion allège.

b) Non, absolument pas. La masse gagnée est celle du DIOXYGÈNE de l'air qui s'est fixé sur le fer pour former l'oxyde. Ce gaz n'était pas sur la balance au départ, il l'est maintenant, incorporé au solide. Rien n'a été créé.

c) Avant : $5{,}6\ \mathrm{g}$ de fer plus $2{,}1\ \mathrm{g}$ de dioxygène, soit $7{,}7\ \mathrm{g}$. Après : $7{,}7\ \mathrm{g}$ d'oxyde de fer. Le bilan est exact à condition de compter le gaz comme un réactif à part entière.

d) Parce que les produits ne sont pas dans le même état. Le fer donne un oxyde SOLIDE, qui reste sur la balance avec l'oxygène qu'il a capté. Le bois donne surtout du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, deux GAZ qui s'envolent, et seules les cendres restent. Dans les deux cas la masse totale se conserve, seule la part restée sur le plateau change.

e) La balance affiche exactement la même valeur avant et après, puisque rien n'entre ni ne sort du ballon scellé. L'intérêt est justement là : le montage fermé montre la conservation de la masse sans aucun raisonnement supplémentaire, alors qu'à l'air libre il faut d'abord expliquer ce qui est entré ou sorti.

1) FAUX. On n'a pas le droit de modifier une formule pour équilibrer : $H_{2}O_{2}$ est l'eau oxygénée, une autre substance. La bonne écriture est $2\,H_{2}+O_{2}\rightarrow 2\,H_{2}O$, obtenue en plaçant des nombres DEVANT les formules.

2) FAUX. Rien n'est détruit. Les cendres pèsent moins lourd parce que la plus grande partie de la matière est partie sous forme de GAZ, dioxyde de carbone et vapeur d'eau, qui ne sont plus sur la balance. En pesant aussi ces gaz, on retrouverait la masse initiale augmentée du dioxygène consommé.

3) FAUX. $2\,H_{2}O$ désigne DEUX molécules d'eau, soit $2\times 2=4$ atomes d'hydrogène et $2\times 1=2$ atomes d'oxygène. Le grand nombre multiplie toute la molécule.

4) FAUX. Un changement d'état est une transformation PHYSIQUE : les molécules d'eau restent des molécules d'eau, elles se contentent de s'organiser autrement. Aucune substance nouvelle n'apparaît.

5) FAUX. Le symbole du carbone est $C$, une seule lettre. $CO$ désigne une molécule faite d'un atome de carbone et d'un atome d'oxygène, le monoxyde de carbone. Deux majuscules dans une formule signalent toujours deux éléments différents.

a) $21\ \%$ de $1{,}0\ \mathrm{L}$, soit $0{,}21\ \mathrm{L}=210\ \mathrm{mL}$ de dioxygène. Les quatre cinquièmes restants sont surtout du diazote, qui ne participe pas à la combustion.

b) Parce que le dioxygène est le réactif indispensable, et qu'il s'épuise. Le reste du gaz, essentiellement du diazote et le dioxyde de carbone formé, n'entretient pas la combustion. Une flamme a besoin de trois choses, un combustible, un comburant et une température suffisante : ici c'est le comburant qui manque.

c) Le dioxygène passe de $21\ \%$ à $16\ \%$, soit $5\ \%$ de $1{,}0\ \mathrm{L}$ consommés : $0{,}050\ \mathrm{L}=50\ \mathrm{mL}$. Non, la bougie n'a pas consommé tout le dioxygène disponible : elle s'éteint bien avant, dès que la proportion descend sous un seuil d'environ $16\ \%$.

d) Trois fois plus de volume, donc trois fois plus de dioxygène utilisable : on attend environ $3\times 20=60\ \mathrm{s}$. L'hypothèse est que la bougie consomme le dioxygène à un débit constant et que le seuil d'extinction reste le même, ce qui est raisonnable tant que la flamme garde la même taille.

e) La bougie ne s'allume pas, ou s'éteint aussitôt : le dioxyde de carbone a chassé l'air, donc le dioxygène, et il est lui-même plus dense que l'air, si bien qu'il reste au fond de la cloche. C'est exactement le principe d'un extincteur au dioxyde de carbone, qui n'éteint pas en refroidissant mais en privant le feu de comburant.

a) Ibuprofène : 13 atomes de carbone, 18 d'hydrogène, 2 d'oxygène. Total $13+18+2=33$ atomes.

b) Saccharose : $12+22+11=45$ atomes. Acide citrique : $6+8+7=21$ atomes. Le saccharose est donc la plus grosse des trois molécules.

c) Non, ce ne sont pas les mêmes substances. Ce qui définit une substance, ce n'est pas la LISTE des éléments présents mais leur nombre et leur agencement. Le sucre nourrit, l'acide citrique acidifie et l'ibuprofène soulage la douleur, alors que les trois ne contiennent que du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène.

d) $5\,C_{12}H_{22}O_{11}$ contient $5\times 22=110$ atomes d'hydrogène. $5\,C_{6}H_{8}O_{7}$ en contient $5\times 8=40$. Le grand nombre placé devant multiplie chaque indice de la formule.

e) La mention n'a aucun sens scientifique : toute matière est faite d'espèces chimiques, y compris l'eau $H_{2}O$ et le sucre. Ce que le fabricant veut sans doute dire, c'est « sans additif de synthèse », ce qui est une affirmation commerciale et non chimique. Savoir lire une étiquette d'un oeil critique fait partie du programme au même titre que le comptage des atomes.

a) Quatre atomes de carbone et dix atomes d'hydrogène : $4+10=14$ atomes.

b) On part du carbone, présent dans une seule formule de chaque côté : $2\times 4=8$ atomes à gauche, donc $8\,CO_{2}$ à droite. Puis l'hydrogène : $2\times 10=20$ atomes à gauche, donc $10\,H_{2}O$, puisque $10\times 2=20$. On finit par l'oxygène, qui apparaît dans deux produits : $8\times 2+10\times 1=26$ atomes à droite, donc $26\div 2=13$ molécules $O_{2}$ à gauche. Équation : $2\,C_{4}H_{10}+13\,O_{2}\rightarrow 8\,CO_{2}+10\,H_{2}O$.

c) À gauche : $13\times 2=26$ atomes d'oxygène. À droite : $8\times 2=16$ dans le dioxyde de carbone et $10\times 1=10$ dans l'eau, soit $26$. Les deux comptes sont égaux.

d) À gauche, la molécule de butane apporte $4$ atomes de carbone ; à droite, $CO_{2}$ n'en contient qu'un : il en manque $3$. L'hydrogène ne tombe pas juste non plus, $10$ contre $2$. Avoir les bons réactifs et les bons produits ne suffit pas : l'équation doit conserver chaque sorte d'atome, et c'est le rôle des nombres placés devant les formules.

e) Sous une tente fermée, la flamme consomme le dioxygène de l'air sans qu'il soit renouvelé. La combustion devient alors incomplète et produit du monoxyde de carbone, un gaz inodore et très toxique que personne ne sent venir. Le dioxyde de carbone formé s'accumule aussi dans l'air respiré.

Le fil : on équilibre en commençant par l'élément présent dans une seule formule de chaque côté, et l'oxygène se traite en dernier.

a) A contient du dioxygène : il ravive la combustion de la bûchette. B contient du dioxyde de carbone : il trouble l'eau de chaux. C contient du dihydrogène : il brûle en produisant une détonation.

b) Non. Beaucoup de gaz éteignent une flamme, dès lors qu'ils ne contiennent pas de dioxygène : le diazote, par exemple. L'extinction de l'allumette montre seulement que le gaz n'entretient pas la combustion. Le test qui caractérise le dioxyde de carbone est le trouble de l'eau de chaux, et lui seul.

c) Le dioxygène rallumerait la flamme au lieu de l'éteindre, et le dioxyde de carbone troublerait l'eau de chaux. Il reste le diazote, le gaz le plus abondant de l'air.

d) Le dihydrogène mélangé à l'air forme un mélange explosif : la détonation est d'autant plus violente que le volume est grand. Un petit tube suffit à reconnaître le gaz sans danger.

e) $4\div 0{,}04=100$ : l'air expiré contient cent fois plus de dioxyde de carbone que l'air inspiré. Notre respiration produit ce gaz, et l'eau de chaux en reçoit assez pour se troubler en quelques secondes, alors que l'air de la pièce doit barboter longtemps pour produire le même effet.

Le fil : un test d'identification doit être caractéristique d'un seul gaz ; une flamme qui s'éteint ne l'est pas.

a) $6$ atomes de carbone, $12$ d'hydrogène et $6$ d'oxygène : $6+12+6=24$ atomes.

b) Carbone : $6$ à droite, donc $6\,CO_{2}$. Hydrogène : $12$ à droite, donc $6\,H_{2}O$. Oxygène à gauche : $6\times 2+6\times 1=18$ atomes ; à droite, le glucose en porte $6$, il en reste $12$ pour le dioxygène, soit $6\,O_{2}$. Équation : $6\,CO_{2}+6\,H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\,O_{2}$.

c) $C_{6}H_{12}O_{6}+6\,O_{2}\rightarrow 6\,CO_{2}+6\,H_{2}O$. C'est la même équation lue dans l'autre sens : les réactifs de l'une sont les produits de l'autre, et le comptage reste juste, $18$ atomes d'oxygène de chaque côté.

d) Par conservation de la masse : $264+108=372\ \mathrm{g}$ de réactifs, donc $372-180=192\ \mathrm{g}$ de dioxygène rejeté.

e) Le dioxygène est un RÉACTIF de la respiration : il disparaît, et c'est pour cela qu'il faut le renouveler en respirant. Les atomes du glucose ne sont pas détruits : le carbone repart dans le dioxyde de carbone que nous expirons, l'hydrogène dans l'eau.

Le fil : deux transformations inverses échangent réactifs et produits, mais chacune conserve les atomes.

a) Le sulfate de cuivre anhydre bleuit au contact de l'eau : la buée est de l'EAU, produite par la combustion.

b) Le trouble de l'eau de chaux révèle le DIOXYDE DE CARBONE.

c) La combustion y est INCOMPLÈTE : le dioxygène de l'air n'atteint pas assez le centre de la flamme, et une partie du carbone ne brûle pas. C'est aussi ce carbone chauffé qui rend la flamme jaune et lumineuse.

d) $25+52=77$ atomes. Les atomes se conservent lors d'une transformation chimique : le carbone et l'hydrogène de la cire se retrouvent dans les produits, le carbone dans le dioxyde de carbone et la suie, l'hydrogène dans l'eau. Le dioxygène de l'air n'apporte que de l'oxygène.

e) À droite : $25\times 2=50$ atomes d'oxygène dans le dioxyde de carbone et $26\times 1=26$ dans l'eau, soit $76$. Il faut donc $76\div 2=38$ molécules de dioxygène : $C_{25}H_{52}+38\,O_{2}\rightarrow 25\,CO_{2}+26\,H_{2}O$. Le compte de l'hydrogène est juste : $52=26\times 2$.

Le fil : chaque test identifie un produit, et la conservation des atomes explique d'où viennent ces produits.

a) Carbone : $2\times 8=16$ à gauche, $16$ à droite. Hydrogène : $2\times 18=36$ à gauche, $18\times 2=36$ à droite. Oxygène : $25\times 2=50$ à gauche, $16\times 2+18\times 1=32+18=50$ à droite. L'équation est équilibrée.

b) Conservation de la masse : $228+800=1\,028\ \mathrm{g}$ de réactifs, donc $1\,028-704=324\ \mathrm{g}$ d'eau.

c) $228\ \mathrm{g}$ d'octane donnent $704\ \mathrm{g}$ de dioxyde de carbone, donc $700\ \mathrm{g}$ en donnent $\frac{704\times 700}{228}\approx 2\,161\ \mathrm{g}$, soit environ $2{,}16\ \mathrm{kg}$ par litre.

d) $6\times 2{,}16\approx 13{,}0\ \mathrm{kg}$ de dioxyde de carbone sur $100\ \mathrm{km}$.

e) Non. Le dioxyde de carbone contient les atomes de carbone de l'essence, mais aussi les atomes d'oxygène pris au DIOXYGÈNE DE L'AIR, qui entre dans le moteur sans être pesé à la pompe. Le bilan est exact : $228+800=704+324$. La masse de gaz rejetée dépasse celle de l'essence parce qu'on oublie un réactif, pas parce que de la matière est créée.

Le fil : dans une combustion, l'air est un réactif à part entière ; l'oublier fait croire que la masse n'est pas conservée.